某壳体零件加工工艺设计

常 海 张银洲 肖建强 姚春臣

（江南机器（集团）公司，湖南湘潭 411207）

某零件壳体如图1所示。该零件是某产品上一个关键性能件，机械性能和材料综合性能要求都相当高，而且壁薄、长径比大（最薄壁厚为2.2±0.05 mm）、零件还必须承受一定压力，其水检压强P为33±0.2 MPa。所采用的材料为国产45CrNiMo1VA（相当于美国的D6AC），属于低合金超高强度钢，热处理要求:σb≥1 470 MPa，δ5≥9%，45.5 ～49.5 HRC。

1 零件分析

1.1 材料分析

该零件采用45CrNiMo1VA材料淬火处理，其材料淬透性高。油中临界淬透直径为60 mm（96%的马氏体），钢在淬火后可获得很高的强度，并具有一定的韧性，可加工成型。缺点是硬度高，机械加工困难。

该零件属半封闭圆筒形状，其内腔长度达到458 mm;由于结构特点，造成选材困难。45CrNiMo1VA材料是比较美国的D6AC自主研制的超高强度材料，目前只用于航空及火箭发动机，生产批量和品种有限，所以生产厂家只能提供棒料。

如果用棒料采用剥皮挖心的传统加工方法，势必消耗大量的原材料（材料的利用率相当低，只有8%以下），而且产品强度亦难达到产品的技术要求，并提高了生产成本，造成生产周期的延长。

1.2 加工性能分析

一是由于零件采用超高强度合金钢制造，其强度和硬度要求都很高，其热处理后硬度值可达到49.5 HRC，属于难加工材料，造成机加困难;特别是加工特B165×2（锯齿形螺纹）的螺纹，刀具磨损相当快，一把YG类合金车刀有时不能加工完成一件产品的一个尺寸，更增加了加工的难度。二是零件结构不适合普通机加设备生产，因为有内外弧球面，只能用数控车加工，而且还必须设计专用刀具。三是生产效率不高。四是由于产品加工过程产生变形，其最小壁厚2.2±0.05 mm难以保证。

2 制定方案

该零件主要机械性能是强度和延伸率，在保证这两点的前提下，适当地更改产品的结构特点对机械加工会有很大的促进作用。根据产品特点和单位拥有旋压机和氩弧机的有利条件，我们提出将整体结构改为分段加工，采用氩弧焊焊成整体的方案，并得到用户的认可。因此，我们在工艺设计时，为节约材料，降低成本，将零件分为半球体及筒体两部分。半球体采用毛坯锻造后机加，筒体采用锻造后旋压的工艺，并在毛坯工艺上动脑筋想办法，将棒料锻造成管料毛坯，粗车后旋压成合适壁厚的筒体，再进行机加而成。

2.1 改整体结构为焊接结构

将半球体端分离出来，使零件由一个半球体和一个筒体段组成，然后运用氩弧焊焊接而成。

2.1.1 半球体

半球体部分如图2所示，用棒料锻造毛坯后车制而成。工艺为:下料→锻毛坯→退火→粗车→数控精车→检验→清洗、待焊。

在45CrNiMo1VA材料的毛坯锻造初期，由于没有现成的工艺经验可以借鉴，一度产生毛坯锻造后机加过程产生裂纹的现象。经过反复研究和试验发现:（1）锻造时，坯料在高温炉中加热温度规定不合理，产生晶粒组织粗大或过烧;（2）锻造后未及时进行热处理;这两项是造成工件机加时产生裂纹的主要原因。针对这种情况，将锻造工艺制定为加热温度在1 130～1 150℃，并要求加热时注意翻动坯料，使其受热均匀，保证坯料在热透的前提下，尽量缩短高温加热时间;锻造后必须及时转热处理球化退火，时间不得超过2 h。解决了锻造后机加出现裂纹这一现象。

2.1.2 筒体段

筒体段如图3所示，采用棒料锻造、旋压毛坯后车削而成。工艺如下:下料→锻造、退火→车旋压毛坯→旋压→退火→车内外圆→检验→清洗、待焊。

该工艺中旋压工序是关键，目前国内针对45CrNiMo1VA超高强度钢的旋压研究不是很多，没有完整的旋压资料可以参考。而且，由于产品硬度相当高，旋压芯棒和旋轮的选取以及旋压参数的制定是很关键的工作。经过反复试验和摸索，最后选用4Cr5MoVSi合金钢作为制造旋压芯棒的材料;旋轮则采用CrWMn材料，热处理后硬度要求达到55～60 HRC，才能满足产品的要求。在旋压工艺方面，采用强力、反旋方法。为尽量减小扩径对产品精度的影响，运用4道次旋压而成，旋压后退火处理;旋轮采用复合前角，如图4。

采用上述工艺方案后，基本上满足了零件生产工艺的需要;而且，原材料节约70%以上，生产周期大大缩短，机加成本也大幅下降。

2.2 解决焊接、热处理变形问题

2.2.1 焊接变形

45CrNiMo1VA属于超高强度钢，在焊接过程主要是考虑其熔深性及焊接变形两方面。为达到最佳的焊接性，采用氩弧焊对接。焊接参数为电流80 A，焊接速度0.18 m/min，而且焊接前必须进行预热处理，焊接后后热及退火处理。

2.2.2 热处理变形

考虑到工件热处理后加工难度增大，在保证工件精度的前提下，将主要机械加工工序排在热处理之前，只保留必要的精加工工序（车丝及要求同轴度部位）在淬火后进行。

焊接后工艺如下:预热、工件焊接→后热→淬火、回火→精车（特B165×2 mm端）→调头精车。

在上述工艺中，由于热处理后产品变形较大，后续精车工序中因工件变形过大，无法校正工件而使得精车无加工余量，曾一度使生产陷入困境;必须解决热处理变形问题，才能使生产按上述工艺正常进行。经过认真仔细地分析，发现产品在淬火过程变形不是很大，主要是在回火过程中发生变形，也就是在产品定型过程中产生了变形。针对这一现象，我们设计了一回火工装，在产品回火时装上。使产品在回火过程产生的变形量减小，如图5所示。

2.3 壁厚尺寸的控制

在实际生产过程中发现，焊接后进行内外圆加工时圆柱部位壁厚2.2±0.05 mm的尺寸超差，而且有时达到40%。仔细分析原因后发现，主要是产品（圆柱段）壁薄及受热处理的影响，在机加过程中由于内应力释放所致。原工艺的编制的确存在一定的问题，没有考虑到变形所产生的影响。经过反复实验和探讨，最后决定更改工艺，在焊接前保证产品的壁厚，焊接后不再加工壁厚尺寸，只保证螺纹及相关尺寸。

工艺如下:下料→锻造、退火→车旋压毛坯→旋压→退火→粗车内外圆→精车外圆→磨外圆→精镗内孔→检验→待焊。

外圆采用磨削保证了产品的尺寸精度和一致性，并以此为定位基准精镗内孔，保证了产品的壁厚尺寸。此工序的关键是采用以镗代磨来保证内孔尺寸控制壁厚2.2±0.05 mm的要求。

2.4 锯齿螺纹的加工

产品圆柱段大头为特B165×2 mm的锯齿形螺纹，由于热处理后硬度可达到49.5 HRC，对加工螺纹来说相当困难。

产品特点:薄壁、淬火变形件，螺纹为33°锯齿形特形螺纹，螺纹精度为6 h。

加工难点:（1）淬火薄壁件机加性能不好掌握;（2）机加变形大，尺寸难以控制;（3）硬度高，刀具容易磨损。

经过反复摸索最后采用:刀具材料YS8，刀尖角为32°左右，主后角为 3°～5°，副后角为 2°～3°，刃倾角为3°;主轴转速80 r/min，切削速度50 m/min，基本满足了生产要求。

3 结语

通过对壳体零件的加工工艺设计，对于45CrNiMo1VA超高强度钢的材料性能和加工性能有了进一步的认识和提高;同时，采用上述工艺方法加工一是节约了大量的原材料、每件零件的原材料消耗由91 kg下降到31 kg;二是提高了产品的合格率，由最初60%左右的合格率提高到95%之上;三是成功地采用多种特殊工艺（锻造、旋压、焊接）的结合以及以镗代磨工艺用于生产，达到节能减排的效果。对同行业相关零件的机加有一定的参考价值。

［1］赵如福.金属机械加工工艺人员手册［M］.上海:上海科学技术出版社，1979.

［2］冯之敬.机械制造工程原理［M］.北京;清华大学出版社，1999.

［3］王成和，刘克璋.旋压技术［M］.北京;机械工业出版社，1986.